Une équipe dirigée par le professeur GUO Guangcan et le professeur ZOU Changling de l'Université des sciences et technologies de Chine de l'Académie chinoise des sciences a réalisé une conversion de fréquence efficace dans les microrésonateurs via un processus de fréquence de somme dégénéré, et obtenu une conversion de fréquence cross-band et une amplification du signal converti en observant les effets optiques non linéaires en cascade à l'intérieur du microrésonateur. L'étude a été publiée dans Lettres d'examen physique .

Le processus de conversion de fréquence cohérent a une large application dans les domaines de l'information classique et quantique tels que la communication, détection, sentir, et l'imagerie. En tant que pont reliant les bandes de fréquences entre les télécommunications par fibre et la transition atomique, la conversion de fréquence cohérente est une interface nécessaire pour l'informatique quantique distribuée et les réseaux quantiques.

La puce photonique non linéaire intégrée se distingue par ses avancées technologiques significatives d'amélioration des effets optiques non linéaires par l'amélioration de l'interaction lumière-matière par microrésonateur, avec d'autres avantages comme la petite taille, grande évolutivité, et une faible consommation d'énergie. Ceux-ci font des puces photoniques non linéaires intégrées une plate-forme importante pour dissimuler efficacement la fréquence optique et réaliser d'autres effets optiques non linéaires.

Cependant, la conversion de fréquence cohérente améliorée par la résonance sur puce nécessite plusieurs (trois ou plus) modes de condition d'accord de phase parmi des longueurs d'onde distinctes, ce qui pose des défis importants à la conception des appareils, fabrication, et modulation. Surtout dans l'application de la spectroscopie atomique et moléculaire, l'erreur intrinsèque apportée par la technique de nanofabrication des puces photoniques non linéaires intégrées rend la fréquence de résonance du microrésonateur difficile à égaler à la fréquence de transition atomique.

Les chercheurs de cette étude ont proposé un nouveau schéma de conversion de fréquence cohérente à haut rendement ne nécessitant que la condition d'appariement de phase à deux modes via un processus de fréquence de somme dégénéré. Ils ont obtenu un réglage précis de la fenêtre de fréquence (FW) :réglage grossier en ajustant la température de l'appareil avec une plage de réglage de 100 GHz ; réglage fin au niveau MHz basé sur des travaux antérieurs de contrôle thermique tout optique dans une microcavité intégrée.

Les résultats ont montré que le meilleur rendement atteint était jusqu'à 42% lors de la conversion du nombre de photons d'une longueur d'onde de 1560 nm de large à 780 nm de large, indiquant une bande passante de réglage de fréquence supérieure à 250 GHz. Cela a satisfait l'interconnexion des photons des télécommunications et des atomes de rubidium (Rb).

Outre, les chercheurs ont vérifié expérimentalement les effets optiques non linéaires χ(2) et Kerr en cascade à l'intérieur d'un seul microrésonateur pour amplifier le signal converti, qui était négligé auparavant. Ainsi, l'efficacité de conversion la plus élevée était susceptible d'atteindre plus de 100 % en ajustant les paramètres de fabrication du dispositif, remplissant simultanément le signal converti et amplifié.

Cette étude fournit un nouveau moyen pour une conversion de fréquence efficace sur puce, ce qui est extrêmement important pour le traitement de l'information quantique sur puce.